Polymerer Werkstoff

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen neuartigen polymeren Werkstoff sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung, der einfach und kostengünstig herzustellen und vielseitig, beispielsweise als Haft- und/oder Verträglichkeitsvermittler sowie als Verbund- und Compoundkomponete einsetzbar ist.
Dazu ist vorgesehen, daß Polyolefine einer Niedertemperatur-Plasmabehandlung unterzogen werden, durch die die Werkstoffeigenschaften gemäß dem Verwendungszweck angepaßt werden können.

Beschreibung

[0001] Es sind Verbunde bekannt, bei denen zur Erzielung bestimmter Eigenschaften Werkstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften miteinander verbunden werden, von denen wenigstens ein Werkstoff ein Polyolefin ist. Dies können beispielsweise Folien sowie massive Werkstoffe der unterschiedlichsten Art, beispielsweise Metalle, Nichtmetalle, Glas usw., sein. Soll beispielsweise eine Polyamid-Folie und Polyethylen-Folie zu einer Verbundfolie zusammengefügt werden, ist wie bei der Herstellung der meisten Polyolefinverbunde derzeit der Einsatz eines Haftvermittlers notwendig, da die Herstellung von Polyolefinverbunden durch die Unpolarität der Polyolefine sehr erschwert wird. Je nach Größe und Art des herzustellenden Polyolefinverbundes ist dabei der Einsatz einer mehr oder weniger großen Menge des Haftvermittlers notwendig. Diese Haftvermittler sind immer nur für relativ eng begrenzte Anwendungsfälle einsetzbar. Weiterhin ist nachteilig, daß umso größer die Menge des eingesetzten Haftvermittlers ist, eine Beeinträchtigung der gewünschten Eigenschaften des herzustellenden Polyolefinverbundes auftritt. Darüber hinaus ist nachteilig, daß bei einem eventuellen Recycling der Polyolefinverbunde die eingesetzten Haftvermittler Probleme bereiten. Oftmals ist eine nur sehr schwierig durchzuführende Trennung der einzelnen Bestandteile des Polyolefinverbundes notwendig.

[0002] Weiterhin ist die Herstellung von Compounds bekannt, bei denen wenigstens zwei Polymere als Komponenten miteinander vermischt werden. Die Herstellung von Poyolefincompounds wird durch die Unpolarität der Polymere sehr erschwert, so daß häufig Entmischungserscheinungen auftreten, die die Einsetzbarkeit der Compounds beeinträchtigen, beziehungsweise die Herstellung bestimmter Compounds unmöglich machen. Bei der Herstellung von Polyolefincompounds werden derzeit in der Regel Verträglichkeitsvermittler eingesetzt. Diese Verträglichkeitsvermittler sind meist Copolymere des Polyethylens. Hierbei ist kritisch, daß die bekannten Verträglichkeitsvermittler jeweils nur zur Herstellung bestimmter Polyolefincompounds geeignet sind.

[0003] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen polymeren Werkstoff zu schaffen, der einfach und kostengünstig herstellbar ist und dessen Eigenschaften für den speziellen Anwendungszweck als Verbundkomponente, Haftvermittler, Compoundkomponente oder Verträglichkeitsvermittler eingestellt werden können. Damit wird der Einsatz von Haftvermittlern reduziert oder überflüssig, die Verbundfestigkeit erhöht und die Verträglichkeit der Polyolefinkomponenten in Polyolefincompounds verbessert. Außerdem erweitert sich dadurch das Spektrum der herstellbaren Polyolefinverbunde und Polyolefincompounds.

[0004] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die polymeren Werkstoffe durch eine Niedertemperatur-Plasmabehandlung von Polyolefinen in einem Frequenzbereich von 5 kHz bis 10 GHz hergestellt werden. Unter Niedertemperatur-Plasmabehandlung wird hier verstanden, daß das zu behandelnde Material selbst nicht über einen bestimmtem Temperaturbereich, beispielsweise 40 °C - 60 °C, hinaus erwärmt wird. Es wurde überraschenderweise gefunden, daß die so hergestellten polymeren Werkstoffe als Verbundkomponenten für Polyolefinverbunde verwendet werden können, ohne daß zusätzliche Haftvermittler eingesetzt werden müssen. In jedem Fall kann der Einsatz der Haftvermittler zumindest drastisch reduziert werden. Das Spektrum der herstellbaren Polyolefinverbunde kann erweitert werden. Beim Einsatz der erfindungsgemäßen polymeren Werkstoffe bei der Herstellung von Polyolefincompounds wird eine Erhöhung der Verträglichkeit der Polyolefinkomponenten vor allem mit polaren Polymeren erreicht. Der Einsatz eines zusätzlichen Verträglichkeitsvermittlers kann bei vielen Anwendungen unterbleiben. Weiterhin hat sich überraschend gezeigt, daß das Spektrum der herstellbaren Compounds erweitert werden kann. Darüber hinaus ist sehr vorteilhaft möglich, bei der Herstellung von Compounds aus unbehandelten Polyolefinen die erfindungsgemäßen polymeren Werkstoffe als Verträglichkeitsvermittler einzusetzen.

[0005] Als weiterer wesentlicher Vorteil ergibt sich, daß bei einem eventuellen Recycling von Polyolefinverbunden und Polyolefincompounds, die die erfindungsgemäßen polymeren Werkstoffe als Komponente und/oder als Haft- bzw. Verträglichkeitsvermittler enthalten, eine Separierung einzelner Bestandteile unterbleiben kann. Im Gegenteil, bei einem Recycling beispielsweise mit einem thermoplastischen Verarbeitungsverfahren (Extrudieren, Spritzgießen o.ä.) können die im Recyclingmaterial enthaltenen erfindungsgemäßen polymeren Werkstoffe ihre überraschenden und vorteilhaften Wirkungen in puncto Verträglichkeit in einem zweiten Reaktionsschritt nochmals entfalten.

[0006] Besonders bevorzugt wird ein polymerer Werkstoff, in den durch die Niedertemperatur-Plasmabehandlung Sauerstoff- und/oder stickstoffhaltige Gruppen eingebaut worden sind. Dies wird sehr vorteilhaft dadurch erreicht, daß die Polyolefine beispielsweise einer Behandlung mit einem Sauerstoff- und/oder Stickstoffplasma und/oder einem Plasma aus einem Gemisch dieser beiden Gase unterworfen werden.

[0007] Ein besonders bevorzugter polymerer Werkstoff wird erhalten, wenn die Niedertemperatur-Plasmabehandlung der Polyolefine mit wechselnden Frequenzen, vorzugsweise mit Kombinationen verschieden hoher wechselnder Frequenzen, durchgeführt wird. Hierbei kann sehr vorteilhaft unter gleichzeitiger Behandlung mit einem Reaktionsgasplasma (Sauerstoffplasma und/oder Stickstoffplasma) und/oder einem Reaktionsgasgemischplasma auf einen unterschiedlichen chemischen Aufbau und unterschiedliche Zusammensetzungen der als Ausgangsstoffe dienenden Polyolefine eingegangen werden. Es hat sich gezeigt, daR durch das gefundene Verfahren der Anteil an polaren Gruppen entscheidend erhöht werden kann und sich somit ein wesentlicher, vollkommen überraschender Qualitätssprung beim Einsatz der erfindungsgemäß behandelten Polyolefine einstellt.

[0008] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen angegebenen Merkmalen.

[0009] Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die einen Verfahrensablauf zur Herstellung eines polymeren Werkstoffs in einem Flußdiagramm zeigt, näher erläutert.

[0010] In der Figur soll das Verfahren mit Hilfe des Diagrammes verdeutlicht werden. In einem ersten Schritt 10 werden die als Ausgangsmaterialien zur Verfügung stehenden Polyolefine vorbereitet. Die Polyolefine werden hier in Pulver- und/oder Granulatform gebracht, deren Körnungsgröße beispielsweise kleiner als 1 mm ist. Als Ausgangsmaterialien können sowohl neuwertige Polyolefine als auch aus Recyclingmaterial gewonnene Polyolefine verwendet werden. Bei Polyolefinen aus Recyclingmaterial ist zu beachten, daß diese nicht zu stark geschädigt sind, das heißt, daß noch eine geeignete Molekularstruktur vorhanden ist. In einem nächsten Schritt 12 wird das vorbereitete Ausgangsmaterial in eine Prozeßkammer gegeben. Die Prozeßkammer kann dabei beispielsweise eine Drehtrommel eines an sich bekannten Plasmaofens zur Durchführung einer Niedertemperaturplasmabehandlung sein.

[0011] In einem nächsten Schritt 14 werden die für die Behandlung des Ausgangsmaterials gewünschten Prozeßparameter und Prozeßgase eingestellt. Hierbei werden insbesondere die speziellen Kombinationen der Prozeßgase, das heißt beispielsweise eine erste Behandlung mit einem Inertgasplasma, vorzugsweise mit Helium und/oder Argon, und die nachfolgende Behandlung mit einem Reaktionsgasplasma, vorzugsweise mit Sauerstoff und/oder Stickstoff, oder auch die Behandlung mit einem Plasma, das aus einem Gemisch der vorgenannten Gase erzeugt wird, festgelegt. Weiterhin erfolgt die Einstellung der zur Plasmaerzeugung im Vakuum notwendigen Hochfrequenzen und deren zeitlicher Abfolge. So sind Varianten denkbar, in der erst mit einer niederen Frequenz, beispielsweise 13,56 MHz, und anschließend mit einer höheren Frequenz, beispielsweise 2,45 GHz, eine Plasmabehandlung durchgeführt wird. Darüber hinaus ist eine alternierende Zuschaltung der Frequenzen denkbar. Selbstverständlich können auch andere Frequenzen in beliebiger frei wählbarer Reihenfolge zur Durchführung der Plasmabehandlung eingestellt werden. Im übrigen wird die gewünschte Drehzahl der Drehtrommel, beispielsweise im Bereich zwischen 4 und 20 Umdrehungen/Minute, sowie der gewünschte Prozeßdruck, der beispielsweise im Bereich zwischen 0,3 mbar und 1 mbar liegt, eingestellt. Während der Plasmabehandlung kann der Prozeßdruck verfahrensbedingt Schwankungen unterliegen. Weiterhin wird die Behandlungdauer festgelegt, mit der die Behandlung des Ausgangsmaterials erfolgt. Diese beträgt beispielsweise zwischen 15 und 600 Sekunden. Die genannten Prozeßparameter bzw. Prozeßgase können untereinander in beliebiger Zusammenstellung variiert werden und sind insbesondere auf die Zusammensetzung des jeweiligen konkret vorliegenden Ausgangsmaterials, also der Polyolefine, sowie auf den gewünschten Verwendungszweck des Endproduktes abgestimmt.

[0012] In einem nächsten Schritt 16 erfolgt dann die Plasmabehandlung des Ausgangsmaterials mit den in dem Schritt 14 eingestellten Prozeßparametern bzw. Prozeßbedingungen. Hierbei ist es ebenfalls denkbar, daß während der Plasmabehandlung in dem Schritt 16 eine Veränderung und/oder Anpassung der Prozeßparameter, beispielsweise durch eine Regelung, erfolgen kann. Durch die beschriebene Kombination der Prozeßgase und der Prozeßparameter der Niedertemperatur-Plasmabehandlung ist insbesondere der für die Verwendung der erfindungsgemäßen polymeren Werkstoffe wünschenswerte Einbau von sauerstoff- und/oder stickstoffhaltigen Gruppen in die Polyolefine in Abhängigkeit von dem eingesetzten Ausgangsmaterial erreichbar. Die erfindungsgemäßen polymeren Werkstoffe können aus allen zur Gruppe der Polyolefine gehörenden Verbindungen, beispielsweise aus allen Polyethylentypen (LDPE, LLDPE, HDPE) sowie Polypropylen hergestellt werden.

[0013] Mit den erfindungsgemäßen polymeren Werkstoffen kann jeder denkbare Polyolefinverbund hergestellt werden, wobei die behandelten Polyolefine als Verbundkomponenten und/oder Haftvermittler eingesetzt werden. Weiterhin ist der Einsatz der erfindungsgemäßen polymeren Werkstoffe als vollkommen neuartige Verträglichkeitsvermittler bei der Herstellung von Polyolefincompounds oder direkt als Compoundkomponente möglich.

[0014] In einem konkreten Beispiel wird in die Drehtrommel einer an sich bekannten Niedertemperaturplasmaanlage als Ausgangsstoff LDPE (AL22FA) mit einer Korngröße < 1 mm eingefüllt. Als Prozeßparameter wird ein Prozeßdruck von 0,6 Millibar bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 4 U/min. der Drehtrommel eingestellt. Die Leistung des Mikrowellengenerators beträgt 600 Watt und die der Hochfrequenzeinspeisung ebenfalls 600 Watt. Als Prozeßgase wird ein Gemisch von Argon, Sauerstoff und Stickstoff zugeführt und der eingebrachte Ausgangsstoff für die Dauer von 300 sec. plasmabehandelt. Der Mikrowellengenerator erzeugt dabei eine Frequenz von 2,45 GHz und die Hochfrequenzeinspeisung eine Frequenz von 13,56 MHz. Mit dem nach Beendigung des Herstellungsverfahrens gewonnenen polymeren Werkstoff kann mit Glas bei 165 °C ein transparenter, gut haftender Verbund erzielt werden, zu dessen Herstellung kein Haftvermittler erforderlich ist. Hinsichtlich der Stärke der einzelnen Verbundkomponenten bestehen keine Einschränkungen.

Ansprüche

1. Polymerer Werkstoff, herstellbar durch eine Niedertemperatur-Plasmabehandlung von Polyolefinen in einem Frequenzbereich von 5 kHz bis 10 GHz.

2. Verfahren zur Herstellung eines polymeren Werkstoffes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmabehandlung vorzugsweise in einem Frequenzbereich von 13,56 MHz bis 2,45 GHz durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmabehandlung mit wechselnden Frequenzen durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmabehandlung mit Kombinationen verschieden hoher wechselnder Frequenzen durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Polyolefine Polyethylen und/oder Polypropylen eingesetzt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmabehandlung unter Zufuhr eines Inertgases, beispielsweise Helium und/oder Argon, durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmabehandlung unter Zufuhr eines Reaktionsgases, beispielsweise Sauerstoff und/oder Stickstoff, durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmabehandlung nacheinander mit einem Inertgasplasma und wenigstens einem Reaktionsgasplasma oder wenigstens einem Reaktionsgasgemischplasma oder unter Zufuhr eines Gemisches aus wenigstens einem Inertgas und wenigstens einem Reaktionsgas durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmabehandlung bei einem Prozeßdruck von 0,1 mbar bis 2 mbar, vorzugsweise 0,3 mbar bis 1 mbar, erfolgt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden AnSprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Plasmabehandlung 5 Sekunden bis 800 Sekunden, vorzugsweise 15 Sekunden bis 600 Sekunden, beträgt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyolefine als Pulver oder Granulat der Plasmabehandlung unterworfen werden.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyolefine während der Plasmabehandlung bewegt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyolefine in einer Drehtrommel mit vorzugsweise 4 bis 20 Umdrehungen/Minute umgewälzt werden.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyolefine in Form von Neuware und/oder Recyclingware eingesetzt werden.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Polyolefinen vor der Plasmabehandlung übliche Kunststoffzusätze wie Stabilisatoren zugesetzt werden.

16. Verwendung eines nach den Ansprüchen 2 bis 15 behandelten Polyolefins als Verbundkomponente für Polyolefinverbunde.

17. Verwendung eines nach den Ansprüchen 2 bis 15 behandelten Polyolefins als Haftvermittler für Polyolefinverbunde.

18. Verwendung eines nach den Ansprüchen 2 bis 15 behandelten Polyolefins als Compoundkomponente für Polyolefincompounds.

19. Verwendung eines nach den Ansprüchen 2 bis 15 behandelten Polyolefins als Verträglichkeitsvermittler in Polyolefincompounds.

Zeichnung